Буроугольные сорбенты
Буроугольные сорбенты
длЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
В.Н. Шевкопляс
Институт физико-органической химии и углехимии
им. Л.М. Литвиненко НАН Украины, г. Донецк
В настоящее время актуальной является проблема очистки сточных вод различных технологических циклов от органических веществ и минеральных примесей, содержащих катионы тяжелых металлов. Проведение природоохранных мероприятий также направлено на усиление контроля за качеством потребляемой питьевой воды. Современные водозаборные станции и очистные сооружения не обеспечивают достаточную очистку воды от различных загрязнителей до предельно-допустимых концентраций. Поэтому, необходимость получения активных углей из углеродсодержащего сырья, способных обеспечить высокую очистку воды, является актуальной. В настоящее время основным сырьем для получения активных углей являются углеродсодержащие материалы различной природы [1]. По данным [2] доля получения активных углей из всего потребляемого углеродсодержащего сырья составляет (%): каменные угли – около 30; бурые угли – 14; торф – 10; древесина – 35; скорлупа кокосовых орехов – около 10. На сегодня основной задачей остается разработка новых методов производства активных углей с заданной системой пор, требуемой химией углеродной поверхности и специфическими адсорбционными свойствами. Авторами показано, что из отходов древесины (гидролитический лигнин) можно получать сорбенты с удельной поверхностью до 460 м2/г [3]. Украина располагает большими запасами низкосортных (бурых) углей, которые можно использовать в качестве источника углеродсодержащего сырья для получения активных углей. Авторами получены хорошие результаты по очистке воды от органических загрязнителей при использовании адсорбентов на основе бурого угля и летучей золы [4]. Для улучшения качества активных углей, их адсорбционных свойств, широко используются методы предварительной
модификации исходных углеродных материалов химическими веществами различной природы [5].
Целью данной работы было определить физико-химические характеристики активных бурых углей и оценить перспективность их дальнейшего использования для повышения качества питьевой воды.
В качестве объекта исследования был взят бурый уголь Александрийского месторождения (Константиновский разрез), с содержанием углерода (Сdaf) – 62,8 %.
Процесс получения активных бурых углей включал две стадии. На первом этапе бурый уголь карбонизовали до температуры 450 и 800° С. На втором этапе карбонизат, полученный при 450° С, активировали в потоке водяного пара до температуры 800° С.
Измерения удельной поверхности методом низкотемпературной десорбции аргона (БЭТ) [6] заключается в способности адсорбировать аргон при пропускании газовой смеси через адсорбер с навеской активного угля при температуре жидкого азота. Было обнаружено, что для карбонизатов (450 и 800° С) десорбционная кривая аргона расщепляется на два сигнала [7]: первый, узкий сигнал, обусловлен десорбцией аргона с внешней поверхности угольных частиц, а также из пор, геометрические размеры которых намного превосходят эффективный диаметр молекул аргона, т. е. более 0,5 нм (таблица 1, F1).
Таблица 1. Результаты измерений удельной поверхности активных углей
Температура, °С
Процесс
Удельная поверхность
F1
F2
Fобщ.
м2/г
%
м2/г
%
м2/г
—
—
6,0
100,0
—
—
6,0
450
карбонизация
11,0
42,5
15,0
57,5
26,0
800
карбонизация
105,0
27,0
285,0
73,0
390,0
800
активация
500,0
100,0
—
—
100,0
Широкий сигнал обусловлен десорбцией аргона из пор с различной геометрической формой, десорбция из которых осложняется диффузией. Диаметр таких пор составляет менее 0,5 нм (таблица 1, F2). Причем, с увеличением температуры карбонизации до 800° С существенно меняется соотношение (F1:F2) в пористой структуре активного угля. Поверхность активного угля с системой пор менее 0,5 нм может составлять 73,0%, а общая поверхность активного угля достигает 390 м2/г. Подсчитано, что активация карбонизата (450° С) до температуры 800° С в потоке водяного пара позволяет получать активные угли с удельной поверхностью (Fобщ ) – 500 м2/г. Отсутствие пор (F2) после активации (800° С) предполагает структурную перестройку карбонизата с последующим формированием вторичной пористой структуры активного угля [8]. В такой микропористой структуре активного угля преобладают поры диаметром 1,5 нм и с отверстиями и сужениями, ограничивающими доступ к ним, размером около 0,5 нм [9].
Представленные в таблице 2 данные рентгеноструктурного анализа (РСА) активных углей позволяют проследить за структурными изменениями в угле при нагревании.
Таблица 2. Данные РСА активных углей
Температура,°С
Процесс
Lc
La
Lc/La
h/l002
n
—
—
1,84
3,58
0,51
0,70
6,3
450
карбонизация
1,61
3,26
0,49
0,76
4,8
800
карбонизация
1,76
5,78
0,30
0,46
5,3
800
активация
1,62
6,92
0,23
0,32
4,9
При повышении температуры карбонизации снижается степень межслоевой упорядоченности (h/l002) кристаллита и значение параметра Lc толщина пакета) и количество слоев (n)в пакете, что предполагает структурную перестройку в угле. Увеличение параметра La (средний диаметр слоя) при одновременном снижении соотношения Lc/La до значений 0,3-0,23 предполагает реорганизацию пакета (Lc) в горизонтальном направлении и формирование пористой углеродной поверхности активного угля.
Адсорбционные характеристики активных углей представлены в таблице 3.
Таблица 3. Характеристика активных углей
Температура,
°С
Процесс
Адсорбция
йода, %
Адсорбция фенола
мг/г
%
—
—
4,0
0,56
5,0
450
карбонизация
50,0
1,63
25,0
800
карбонизация
56,9
6,21
96,0
800
активация
88,9
6,67
100,0
Из таблицы 3 видно, что активный уголь, полученный при 450° С, способен адсорбировать из водного раствора 50,0 % йода (0,1 М раствор) и 29,0 % фенола (0,01 М раствор). Увеличение температуры процесса (до 800° С) повышает адсорбционную способность активных углей по фенолу до 96,0 %. Активация процесса в потоке водяного пара позволяет получать активные угли, которые полностью адсорбируют фенол (100 %), а извлечение йода составляет 88,9 %.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предложенный способ получения активных углей из низкосортных углей Днепровского бассейна может быть перспективным направлением их дальнейшего использования в качестве адсорбентов для повышения качества питьевой воды.
Литература
1. Кинле Х., Бадер Э. Активированные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.
2. Кузнецов Б. Н. Химия твердого топлива. - 1997. - № 2. - С. 94-96.
3. Kuznetsov B.N., Shpirko M.L., Golovin Yu. G., Golovina V. V., Eremina A.O., Rudkovsky A. V. "Eurocarbon" 2000, Berlin, Germany, 2000. - C. 517-518.
4. Богатырева Г. М., Волкова М. В., Зубкова Ю. Н. Сб. науч. ст. Межд. науч.-практ. конф. Экологическая и технологическая безопасность, Харьков, Украина, 2000. - С. 20-24.
5. Carrol S. C., Allen S.J., Spedding P. L. Carbon\’97, PennState, PN, 1997. - v.I.- P. 74-75.
6. Cаранчук В. И., Русчев Д., Семененко В. К., Галушко Л. Я., Макарова К., Пащенко Л. В., Темерова Г. П. Окисление и самовозгорание твердого топлива. - Киев: Нукова думка, 1994. - 264 с.
7. Галушко Л. Я., Хазинов В. А., Паценко Л. В., Саранчук В. И.// Химия твердого топлива. - 1995. - № 6. - С. 45-52.
8. Шевкопляс В. Н. III Intern. Conf. on Catalysis and Adsorption in Fuel Processing and Environmental Protection, Kudowa Zdsoj, Poland, 1999. - P. 319-324.
9. Лазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей. - София: Изд-во БАН, 1990.- 232 с.